粉末冶金法制备SiC/Cu复合材料工艺研究

摘要

SiCp/Cu复合材料是一种新兴的“结构-功能”一体化材料，它综合了增强体SiC和基体铜的优良特性，具有较好的导电性能、力学性能和可调的热膨胀系数，因而有着广阔的应用前景。 本文首先以50微米β-SiC粉体为研究对象，采用化学镀Cu包覆SiC颗粒，通过正交实验确定了最佳镀液配方，研究了镀液温度、镀液pH、络合剂等因素对化学镀铜质量的影响，利用SEM和EDS对SiCp/Cu复合粉体的表面形貌和化学组成进行了分析。然后将铜包裹SiC颗粒形成的SiCp/Cu复合粉体与铜粉直接混合，在不添加任何烧结助剂的条件下在900℃真空保温2小时制备了SiC分别为30vol％、40vol％、50vol％的SiCp/Cu复合材料，利用光学显微镜和SEM分别分析了复合材料的显微组织和断口形貌，利用XRD分析了复合材料的相结构。测试分析了SiCp/Cu复合材料的硬度、摩擦磨损性能、导电性能、热膨胀性能随SiC体积分数的变化规律。取得以下主要成果： 在50℃、pH=12.5，采用以硫酸铜30g/L，EDTA-2Na盐1g/L，亚铁氰化钾2g/L，氢氧化钠34g/L，甲醛24ml/L和酒石酸钾钠105g/L组成的镀液进行化学镀，SiC颗粒表面的Cu包覆层均匀致密，SiC颗粒与铜镀层的界面结合较强。酒石酸钾钠和EDTA·2Na盐组成的双络合剂的镀层质量的镀层质量优于单络合剂（酒石酸钾钠）的镀层质量。 利用SiC颗粒颗粒表面Cu镀层微晶的低熔点（983℃）特性，改善了SiC颗粒与Cu的烧结性能，实现了铜镀层和铜粉快速致密化，复合材料致密度达到96％，而且SiC颗粒在铜基体中分布比较均匀，没有明显的偏聚现象；SiCp/Cu复合材料的相组成物为Cu和SiC，没有其它任何反应产物出现。 当SiC体积分数小于40％时，SiCp/Cu复合材料的硬度和耐磨性由SiC体积分数所控制；当SiC体积分数大于40％时，SiCp/Cu复合材料的硬度和耐磨性由孔隙率所控制。40vol％SiCp/Cu复合材料的硬度达到25.2HRC。 SiC粉体的加入明显提高了铜的耐磨性。SiCp/Cu复合材料的磨损机理是磨粒磨损和粘着磨损共同作用的结果，30％SiCp/Cu复合材料主要表现为Cu的粘着磨损，随着SiC体积分数的增加，SiC颗粒的磨粒磨损就越明显。 SiC粉体的加入显著降低复合材料的热膨胀系数，但也使复合材料的室温电阻率大幅度提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 SiCp/Cu复合材料的应用

1.2 SiC/Cu复合材料的制备技术

1.2.1 SiC/Cu复合材料的制备方法

1.2.2 SiC表面涂层处理

1.2.3化学镀

1.3 SiC/Cu复合材料的组织与性能

1.3.1组织研究

1.3.2制备工艺

1.3.2热膨胀性能

1.3.3导电性能

1.3.4摩擦磨损性能

1.4 SiCp/Cu复合材料的展望

1.5本文的研究内容及技术路线

2实验材料与方法

2.1实验材料

2.1.1增强体

2.1.2基体

2.1.3化学镀实验药品

2.2实验仪器

2.3 SiCp/Cu复合粉体制备过程

2.3.1 SiC粉体化学镀前处理

2.3.2 SiC粉体化学镀

2.4 SiCp/Cu复合材料制备工艺过程

2.5分析测试方法

2.5.1组织观察与分析

2.5.2热性能测试

2.5.3物理性能测试

2.5.4力学性能测试

3影响Cu包裹SiC粉体质量的主要工艺因素

3.1镀液配比对Cu包裹SiC粉体的影响

3.1.1正交实验设计

3.1.2正交实验结果分析

3.2化学镀工艺参数对镀层质量的影响

3.2.1镀液温度

3.2.2镀液pH值

3.2.3络合剂

3.3 Cu包覆SiC颗粒复合粉体的相结构及表面形貌

3.4 Cu包覆SiC颗粒复合粉体的界面结合性能

3.5本章小结

4 SiCp/Cu复合材料的烧结性能

4.1 SiCp/Cu复合粉体的热物理化学性能

4.2 SiCp/Cu复合材料的相结构及显微组织

4.3 SiCp/Cu复合材料的密度和致密度

4.4本章小结

5 SiCp/Cu复合材料的性能研究

5.1 SiCp/Cu复合材料的硬度

5.2 SiCp/Cu复合材料磨损性能

5.2.1不同SiC含量对SiCp/Cu复合材料磨损性能的影响

5.2.2 SiCp/Cu复合材料的磨损机理

5.3 SiC含量对SiCp/Cu复合材料导电性的影响

5.4 SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能

5.4.1材料的热膨胀

5.4.2热膨胀系数

5.6本章小结

6结论

致 谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文